KR102022003B1 - Magnetic coil and heater system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 자기장 코일 및 원자 증기 셀을 가열하기 위한 히터 시스템을 제공한다.The present invention provides a heater system for heating a magnetic field coil and an atomic vapor cell.
자이로스코프는 다양한 원인에 의한 회전에 의해 발생하는 자이로 효과(Gyro Effect)를 사용하여 원점위치를 역추정, 현재의 방향이 어느 쪽인지를 역산출하여 방향성을 측정하는 장비이다. 상기 자이로 효과는, 물체가 고속으로 회전하여 다량의 회전 운동에너지를 보유하게 될 때, 각운동량 보존법칙에 따라 회전축 방향이 잘 변하지 않기 때문에 회전축방향으로의 정렬을 유지, 결국 고속으로 돌아가는 자이로의 회전축은 그 방향이 쉽게 변하지 않는다는 것을 의미한다.The gyroscope is a device that measures the direction by inversely estimating the origin position by using the gyro effect generated by rotation by various causes, and inverting the current direction. The gyro effect is that when the object rotates at high speed and retains a large amount of rotational kinetic energy, the rotation axis direction does not change well according to the law of angular momentum retention, so that the axis of rotation of the gyro that returns at high speed is maintained. It means that the direction does not change easily.
자이로스코프는 축이 어느 방향으로든지 놓일 수 있는 회전하는 바퀴이고 로터와 짐벌로 이루어진 하나의 메커니즘이며 각운동량 보존법칙에 근거한다. 자이로스코프가 빠르게 회전할 때에는, 외부에서 토크(torque)가 주어졌을 때 그 방향이 회전에 의한 각운동량(angular momentum)에 의해 회전하지 않을 때보다 훨씬 적게 변화하게 된다. 자이로스코프는 수평 유지 장치인 짐벌에 놓이게 되므로 외부의 토크는 최소화되며, 장착된 받침이 움직이더라도 그 방향은 거의 고정되게 된다.Gyroscopes are rotating wheels whose axes can be placed in any direction, a mechanism consisting of a rotor and gimbal, based on the law of conservation of angular momentum. When the gyroscope rotates rapidly, its direction changes much less when it is externally torqued than when it is not rotated by angular momentum. Since the gyroscope is placed on the gimbal, which is a leveling device, the external torque is minimized, and the direction of the gyroscope is almost fixed even if the mounted support moves.
항법용에 사용되는 원자스핀 자이로스코프를 구동하기 위해서는, 원자 증기 셀을 가열한 후 선형 자기장을 z-축으로 인가할 필요가 있다. 이 때, 선형 자기장을 만들어내기 위해서는 헬름홀츠 코일이나 솔레노이드 코일 형태로 코일을 제작한다.To drive an atomic spin gyroscope used for navigation, it is necessary to apply a linear magnetic field to the z-axis after heating the atomic vapor cell. At this time, to produce a linear magnetic field, a coil is manufactured in the form of a Helmholtz coil or a solenoid coil.
일반적으로 균일한 세기의 자기장을 만들기 위해 큰 직경을 갖는 코일을 제작한다. 하지만 항법용 원자스핀 자이로스코프는 부피 제약이 있기 때문에, 적절한 디자인의 코일이 필요하다.Generally, a coil with a large diameter is manufactured to produce a magnetic field of uniform intensity. However, navigational atomic spin gyroscopes are volume constrained, requiring a coil of appropriate design.
본 발명의 목적은 항법용에 사용되는 원자 스핀 자이로스코프를 구동하기 위하여, 원자 증기 셀을 가열하는 히터 시스템 및 자기장을 인가하기 위한 자기장 코일을 제공하는데 있다. 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 실시예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.It is an object of the present invention to provide a heater system for heating an atomic vapor cell and a magnetic field coil for applying a magnetic field to drive an atomic spin gyroscope used for navigation. The technical problem to be achieved by the present embodiment is not limited to the technical problems as described above, and further technical problems can be inferred from the following embodiments.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 개시의 제1 측면은, 원자 증기 셀; 전류가 흐르면 자기장을 발생 시키는 자기장 코일; 및 상기 원자 증기 셀에 부착되는 필름 형태의 히터를 포함하며, 상기 히터가 상기 원자 증기 셀을 가열한 후, 상기 자기장 코일에서 발생한 자기장이 상기 원자 증기 셀에 인가되는 것을 특징으로 하는 시스템을 제공할 수 있다.As a technical means for achieving the above-described technical problem, a first aspect of the present disclosure, an atomic vapor cell; Magnetic field coils that generate magnetic fields when current flows; And a film-type heater attached to the atomic vapor cell, wherein after the heater heats the atomic vapor cell, a magnetic field generated in the magnetic field coil is applied to the atomic vapor cell. Can be.
또한, 상기 히터는 다층 구조의 필름 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 시스템을 제공할 수 있다.In addition, the heater can provide a system characterized in that it has a multi-layer film form.
또한, 상기 히터의 홀수번째 층과 짝수번째 층의 흐르는 전류 방향이 반대인 것을 특징으로 하는 시스템을 제공할 수 있다. In addition, it is possible to provide a system characterized in that the direction of the current flowing in the odd and even layers of the heater is opposite.
또한, 상기 히터는 3층 구조를 가지며, 1층과 3층의 흐르는 전류 방향이 반대이고 2층에는 상기 자기장 코일이 위치한 것을 특징으로 하는 시스템을 제공할 수 있다.In addition, the heater has a three-layer structure, it is possible to provide a system, characterized in that the current flow direction of the first layer and the third layer is opposite and the magnetic field coil is located on the second layer.
또한, 상기 히터는 폴리이미드(polymide) 필름 형태인 것을 특징으로 하는 시스템을 제공할 수 있다.In addition, the heater can provide a system, characterized in that the polyimide (polymide) film form.
또한, 상기 자기장 코일은 헬름홀츠 코일인 것을 특징으로 하는 시스템을 제공할 수 있다.In addition, the magnetic field coil may provide a system characterized in that the Helmholtz coil.
또한, 상기 원자 증기 셀은 Rb-Xe-N2를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템을 제공할 수 있다.In addition, the atomic vapor cell can provide a system characterized in that it comprises Rb-Xe-N 2 .
본 발명에 따른 시스템에 따른 포함된 자기장 코일은, 항법용에 사용되는 원자스핀 자이로스코프를 구동하기 위해 선형 자기장을 원자 증기셀에 인가하기 위해 사용되어야 하는데, 부피 제약이 있는 항법용 원자스핀 자이로스코프에 사용되기 위하여 적정 크기 내에서 적정한 자기장 세기 균일도를 만들어내는 것이 가능하다. The included magnetic field coils according to the system according to the invention should be used to apply a linear magnetic field to an atomic vapor cell to drive an atomic spin gyroscope used for navigation, which has a volume-constrained navigation atomic spin gyroscope. It is possible to produce a suitable magnetic field strength uniformity within a suitable size for use in
본 발명에 따른 시스템에 따른 포함된 히터 시스템은, 다층 구조로 구성되어 층간의 전류 방향을 반대로 함으로써 히터에서 발생하는 자기장의 영향을 최소화하는 것이 가능하다.The included heater system according to the system according to the present invention is configured in a multi-layered structure, and it is possible to minimize the influence of the magnetic field generated in the heater by reversing the current direction between the layers.
본 발명에 따른 시스템에 따른 포함된 자기장 코일 및 히터 시스템은, 필름 형태로 구성되어 시스템을 소형화 할 수 있으며, 폴리이미드 필름은 진공 내에서도 사용할 수 있으므로 추후 원자스킨 자이로스코프의 물리부를 진공화 하는 것이 가능하다.The included magnetic field coil and heater system according to the system according to the present invention may be configured in a film form to miniaturize the system, and since the polyimide film may be used even in a vacuum, it is possible to vacuum the physical part of the atomic skin gyroscope later. Do.
도 1은 일 실시예에 따른 시스템의 기능을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 시스템의 포함된 필름 형태 다층 구조의 히터를 나타내기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 시스템의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 시스템의 포함된 자기장 코일을 나타내기 위한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 시스템의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 시스템의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 시스템의 기능을 설명하기 위한 도면이다.1 is a flowchart illustrating a function of a system according to an embodiment.
FIG. 2 is a diagram to illustrate a heater in an embedded film form multilayer structure of a system according to one embodiment. FIG.
3 is a diagram for describing a function of a system, according to an exemplary embodiment.
4 is a diagram for illustrating an included magnetic field coil of a system according to an embodiment.
5 is a diagram for describing a function of a system, according to an exemplary embodiment.
6 is a diagram for describing a function of a system, according to an exemplary embodiment.
7 is a diagram for describing a function of a system, according to an exemplary embodiment.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.The terms used in the present invention have been selected as widely used general terms as possible in consideration of the functions in the present invention, but this may vary according to the intention or precedent of the person skilled in the art, the emergence of new technologies and the like. In addition, in certain cases, there is also a term arbitrarily selected by the applicant, in which case the meaning will be described in detail in the description of the invention. Therefore, the terms used in the present invention should be defined based on the meanings of the terms and the contents throughout the present invention, rather than the names of the simple terms.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. When any part of the specification is to include any component, this means that it may further include other components, except to exclude other components unless otherwise stated.
또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 연결 선 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것일 뿐이다. 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가된 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들에 의해 구성 요소들 간의 연결이 나타내어질 수 있다. In addition, the connecting lines or connecting members between the components shown in the drawings are merely illustrative of functional connections and / or physical or circuit connections. In an actual device, the connections between components may be represented by various functional connections, physical connections, or circuit connections that are replaceable or added.
본 발명은 원자 증기 셀 주변에 공간적으로 균일한 자기장을 인가할 수 있는 코일과 히터에 의해 발생하는 잔여 자기장을 최소화하면서 원자 증기셀의 온도를 가열하기 위한 히터 시스템을 제시한다. The present invention provides a heater system for heating the temperature of an atomic vapor cell while minimizing the residual magnetic field generated by the heater and the coil capable of applying a spatially uniform magnetic field around the atomic vapor cell.
항법용에 사용되는 원자스핀 자이로스코프를 구동하기 위해선, Rb-Xe-N2가 들어 있는 원자 증기 셀을 100 ℃ 이상으로 가열한 후 선형 자기장을 z-축으로 인가한다. 이 때, 요구되는 자기장의 세기는 약 10μT정도이다. Xe의 세차운동에서 발생한 자기장이 Rb의 에너지 구조에 영향을 미쳐 신호를 생성할 수 있다.To drive atomic spin gyroscopes used for navigation, the atomic vapor cell containing Rb-Xe-N 2 is heated to 100 ° C or higher and a linear magnetic field is applied to the z-axis. At this time, the required magnetic field strength is about 10 mu T. The magnetic field generated by the precession of Xe can affect the energy structure of Rb and generate a signal.
도 1은 일 실시예에 따른 시스템의 기능을 설명하기 위한 순서도이다.1 is a flowchart illustrating a function of a system according to an embodiment.
도 1을 참조하면, 원자스핀 자이로스코프 구동을 위하여 먼저 원자 증기 셀을 히터로 가열할 수 있다(S110). 이 때, 원자 증기 셀을 100 ℃ 이상으로 가열하기 위해, 뜨거운 공기를 불어 넣거나 히터를 사용할 수 있다. Referring to FIG. 1, in order to drive an atomic spin gyroscope, an atomic vapor cell may first be heated by a heater (S110). At this time, in order to heat the atomic vapor cell to 100 ° C or more, hot air may be blown or a heater may be used.
뜨거운 공기의 경우, 자기장 발생이 없기 때문에 원자스핀 자이로스코프의 성능을 저해하지는 않는다. 하지만, 뜨거운 공기를 생산하기 위한 장비와 뜨거운 공기가 지나갈 수 있는 관이 필요하다. 장비적인 측면에서, 뜨거운 공기를 이용한 원자 증기 셀 가열 방법은 복잡할 수 있다.Hot air does not impair the performance of atomic spin gyroscopes because there is no magnetic field. However, there is a need for equipment to produce hot air and pipes through which hot air can pass. In terms of equipment, the method of heating atomic vapor cells with hot air can be complex.
반면, 히터를 이용하는 경우, 원자 증기 셀을 고정한 마운트에 열선을 부착하여 구성한다. 해당 열선에 전류를 인가하면 열이 발생하여 원자 증기 셀을 가열한다. 이와 같은 방법은 잔여 자기장을 발생시킨다는 문제점이 있으나, 편리하고 정밀하게 온도를 제어할 수 있는 장점이 있어 유리하다.On the other hand, when using a heater, it is comprised by attaching a heating wire to the mount which fixed the atomic vapor cell. When a current is applied to the hot wire, heat is generated to heat the atomic vapor cell. Such a method has a problem of generating a residual magnetic field, but it is advantageous in that the temperature can be controlled conveniently and precisely.
도 2는 일 실시예에 따른 시스템의 포함된 필름 형태 다층 구조의 히터를 나타내기 위한 도면이다.FIG. 2 is a diagram to illustrate a heater in an embedded film form multilayer structure of a system according to one embodiment. FIG.
도 2를 참조하면, 원자 증기 셀에 부착하여 사용하는 히터는 필름 형태의 다층 구조(Multi layered) 히터를 사용할 수 있다. 구체적으로, 필름(210, 220, 230) 사이에 히팅 엘리먼트(240, 250)를 가지는 형태를 가질 수 있다. 도 2에서는 특정 층을 가지는 히터를 기재하였으나, 이층, 삼층 등 여러 층을 갖는 히터를 구현하는 것은 통상의 기술자에게 자명할 것이다. Referring to FIG. 2, a heater attached to an atomic vapor cell may use a multi-layered heater in the form of a film. Specifically, it may have a form having a heating element (240, 250) between the film (210, 220, 230). In FIG. 2, a heater having a specific layer is described, but it will be apparent to those skilled in the art to implement a heater having a plurality of layers, such as two or three layers.
상기 필름 형태는 폴리이미드 필름 형태일 수 있다. 상술한 바와 같이, 폴리이미드 필름은 진공 내에서도 사용할 수 있으므로, 원자스핀 자이로스코프의 물리부를 진공화 하는데 적합하며, 소형화 및 대량 생산에 적합하다.The film form may be in the form of a polyimide film. As described above, since the polyimide film can be used even in a vacuum, it is suitable for vacuuming the physical part of the atomic spin gyroscope, and is suitable for miniaturization and mass production.
이러한 다층 구조를 갖는 히터에 의해 잔여 자기장 발생을 최소화 할 수 있다. 상술한 바와 같이, 히터를 사용하여 히터 코일에 전류가 흐를 때, 잔여 자기장이 발생한다는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위하여, 다층 구조에서 각 층간의 전류 방향을 반대로 하여 잔여 자기장 발생을 최소화 할 수 있다.The heater having such a multi-layer structure can minimize the generation of residual magnetic field. As described above, there is a problem that a residual magnetic field is generated when a current flows through the heater coil using the heater. In order to solve this problem, the generation of the residual magnetic field can be minimized by reversing the current direction between the layers in the multilayer structure.
구체적으로, 시스템에 포함된 히터가 이층 구조를 갖는 경우, 일층과 이층의 전류 방향을 반대로 바꿔서 흐르게 하면 서로 발생한 자기장이 상쇄되어 자기장 발생을 최소화 할 수 있다. 이를 확장하면, 2N(N은 자연수)개의 층을 갖는 히터에서 홀수번째 층과 짝수번째 층의 전류를 다르게 흐르게 하면, 서로 발생한 자기장이 상쇄되어 자기장 발생을 최소화 할 수 있다. 구체적으로, 일층과 이층의 전류 방향을 반대로 흐르게 하고, 삼층과 사층의 전류 방향을 반대로 흐르게 하면 일층에서 발생한 자기장과 이층에서 발생한 자기장이 서로 상쇄되며, 삼층에서 발생한 자기장과 사층에서 발생한 자기장이 서로 상쇄되어, 잔여 자기장 발생을 최소화 할 수 있다. In detail, when the heater included in the system has a two-layer structure, when the current flows in one layer and the second layer in reverse, the magnetic fields generated from each other cancel each other, thereby minimizing the generation of magnetic fields. Expanding this, if the current of the odd-numbered layer and the even-numbered layer flows differently in the heater having 2N layers (N is a natural number), the magnetic fields generated from each other can be canceled to minimize the generation of magnetic fields. Specifically, if the current directions of the first and second layers are reversed and the current directions of the third and fourth layers are reversed, the magnetic fields generated in the first layer and the magnetic fields generated in the second layer cancel each other, and the magnetic fields generated in the third layer and the magnetic fields generated in the fourth layer cancel each other. Thus, residual magnetic field can be minimized.
도 3은 일 실시예에 따른 시스템의 기능을 설명하기 위한 도면이다.3 is a diagram for describing a function of a system, according to an exemplary embodiment.
도 3(a)는 일층 구조 히터의 자기장 발생을 나타낸 그래프이다. 가로축은 히터와 자기장 센서 사이의 거리를 나타내며, 세로축은 거리에 따른 자기장의 세기를 나타낸다. 3 (a) is a graph showing the magnetic field generation of the one-layer heater. The horizontal axis represents the distance between the heater and the magnetic field sensor, and the vertical axis represents the strength of the magnetic field according to the distance.
도 3(b)는 이층 구조 히터의 자기장 발생을 나타낸 그래프이다. 상술한 바와 같이, 가로축은 히터와 자기장 센서 사이의 거리를 나타내며, 세로축은 거리에 따른 자기장의 세기를 나타낸다.3 (b) is a graph showing the magnetic field generation of the two-layer heater. As described above, the horizontal axis represents the distance between the heater and the magnetic field sensor, and the vertical axis represents the strength of the magnetic field according to the distance.
도 3(a)와 도 3(b)를 비교하면 이층 구조의 히터에서 1/100 이하로 자기장 발생이 적은 것을 볼 수 있다. 이를 살펴보면, 다층 구조에서 전류 방향을 반대로 바꾸면 잔여 자기장을 최소화할 수 있는 것을 나타낸다.Comparing Fig. 3 (a) and Fig. 3 (b) it can be seen that the magnetic field generation is less than 1/100 in the heater of the two-layer structure. Looking at this, it is shown that reversing the current direction in the multilayer structure can minimize the residual magnetic field.
도 4는 일 실시예에 따른 시스템의 포함된 자기장 코일을 나타내기 위한 도면이다.4 is a diagram for illustrating an included magnetic field coil of a system according to an embodiment.
도 4를 참조하면, 자기장 코일을 헬름홀츠 코일로 구현한 실시예를 나타낸다. 4 shows an embodiment in which the magnetic field coil is implemented as a Helmholtz coil.
도 1을 참조하면, 원자 증기 셀을 가열한 후, 자기장 코일에 의해 발생한 선형 자기장을 원자 증기셀에 인가할 수 있다(S120).Referring to FIG. 1, after heating an atomic vapor cell, a linear magnetic field generated by the magnetic field coil may be applied to the atomic vapor cell (S120).
검출되는 신호와 z-축으로 인가한 자기장, 그리고 외부회전과의 상관관계는 다음과 같다. The correlation between the detected signal, the magnetic field applied to the z-axis, and the external rotation is as follows.
수학식 1에서 위 식에서 ω1은 검출신호, γ는 Xe의 gyromagnetic ratio로 129Xe의 경우 2π*11.86Hz/μT이다. B0는 z-축으로 인가한 자기장 세기, ωR은 외부회전각속도를 가리킨다.In
원자 증기 셀의 크기는 대략 10*10*10 mm3인데, 해당 구간에서 자기장의 세기 균일도가 104 gauss이하를 확보해야 한다. 선형 자기장을 만들어내기 위해 헬름홀츠 코일이나 솔레노이드 코일 형태로 코일을 제작한다.The size of the atomic vapor cell is approximately 10 * 10 * 10 mm 3 , and the intensity uniformity of the magnetic field should be less than 10 4 gauss in the interval. Coils are manufactured in the form of Helmholtz coils or solenoid coils to produce a linear magnetic field.
일반적으로 균일한 세기의 자기장을 만들기 위해 큰 직경을 갖는 코일을 제작한다. 하지만 항법용 원자스핀 자이로스코프는 부피 제약이 있기 때문에, 적절한 디자인의 코일이 필요하다. Generally, a coil with a large diameter is manufactured to produce a magnetic field of uniform intensity. However, navigational atomic spin gyroscopes are volume constrained, requiring a coil of appropriate design.
도 5는 일 실시예에 따른 시스템의 기능을 설명하기 위한 도면이다.5 is a diagram for describing a function of a system, according to an exemplary embodiment.
도 5(a)는 솔레노이드 코일(510)의 형상을 나타내며, 도 5(b)는 헬름홀츠 코일(520)의 형상을 나타낸다. 도 5에서 a,b는 각각 코일의 반경을, L은 중심으로부터의 거리를 나타낸다.FIG. 5 (a) shows the shape of the
솔레노이드 코일(510)의 경우, z-축 상에서 자기장의 세기는 다음과 같다.In the case of the
수학식 2에서 μ0는 진공에서의 투자율(permeability) 1.256×10-6 N/A2, N은 코일이 감겨있는 턴 수, I는 코일에 흐르는 전류, 2L은 코일이 감겨있는 길이, b는 코일의 최외각 반경, a는 코일의 최내각 반경을 가리킨다. In
예를 들어, a=41.5mm, b=42mm, N=5, I=1A 일 때, -7.5mm<z<7.5mm 구간에서 BS의 표준편차가 10-5 정도 나오려면, 2L=260mm이 나와야 한다. 이는 항법용 원자스핀 자이로스코프를 고려했을 때, 소형화 측면에서 바람직하지 않을 수 있다. For example, when a = 41.5mm, b = 42mm, N = 5, and I = 1A, the standard deviation of B S in the range -7.5mm <z <7.5mm is about 10 -5 , 2L = 260mm Should come out. This may be undesirable in terms of miniaturization, given the navigational atomic spin gyroscope.
반면, 헬름홀츠 코일(520)의 경우, z-축 상에서 자기장의 세기는 다음과 같다.On the other hand, in the case of the
수학식 3에서 a는 코일의 반경, I는 코일에 흐르는 전류, L은 코일과 코일 사이의 거리를 가리킨다.In
예를 들어, a=41.5mm, N=5, I=1A, L=41.2mm 일 때, BH의 표준편차는 10-5 정도를 갖는다. 즉, 소형화 측면에서 헬름홀츠 코일(520)이 솔레노이드 코일(510)보다 유리하다. 하지만, 헬름홀츠 코일(520)의 경우 코일의 직경과 코일 사이의 거리에 따라 표준편차 값이 크게 달라진다. 그렇기 때문에 매우 정밀한 수준으로 구현이 되어야 한다는 문제가 있다. 자기장의 공간적 균일도가 나쁘면, 수학식 1에서 제시한 Xe의 세차운동 주파수가 달라져 원자스핀 자이로스코프의 성능을 저해할 수 있다.For example, when a = 41.5mm, N = 5, I = 1A, and L = 41.2mm, the standard deviation of B H is about 10 −5 . That is, the
도 5(c) 및 5(d)는 솔레노이드 코일(510)과 헬름홀츠 코일(520)에서 발생한 z-축 자기장의 대한 세기를 나타낸다. 상술한 바와 같이, 헬름홀츠 코일(520)에서 발생한 자기장의 공간적 균일도가 솔레노이드 코일(510)에서 발생한 자기장의 공간적 균일도보다 좋은 것을 알 수 있다. 5 (c) and 5 (d) show the strengths of the z-axis magnetic fields generated in the
따라서, 본 발명에서 나타내는 시스템에 포함된 코일은 헬름홀츠 코일(520)을 사용하는 것이 유리할 수 있다.Therefore, it may be advantageous to use the
위와 같이, 원자스핀 자이로스코프를 구동(S140)하기 위해서, 원자 증기 셀을 히터로 가열한 후(S110), 자기장 코일에 의해 발생한 선형 자기장을 원자 증기셀에 인가하고(S120), 세차운동에서 발생한 자기장이 에너지 구조에 영향을 미쳐 신호를 생성한다(S130).As described above, in order to drive the atomic spin gyroscope (S140), after heating the atomic steam cell with a heater (S110), a linear magnetic field generated by the magnetic field coil is applied to the atomic steam cell (S120), generated in the precession The magnetic field affects the energy structure to generate a signal (S130).
원자 증기 셀에 공간적으로 균일한 자기장을 인가하기 위하여 코일 형상은 아래 그림과 같다.To apply the spatially uniform magnetic field to the atomic vapor cell, the coil shape is as below.
그림에서 굵은 선이 코일을 나타낸다. D는 위쪽 5개 선과 아래쪽 5개 선과의 중심거리를 나타낸다. I는 코일에 인가한 전류를, a는 5개로 이루어진 각 선의 간격을 나타낸다.In the figure, the thick line represents the coil. D is the center distance between the top 5 lines and the bottom 5 lines. I denotes a current applied to the coil, and a denotes an interval of five lines.
z-축으로 선형 자기장을 발생하기 위해선, 그림에서 전류가 들어오고 나가는 지점이 공간적으로 서로 겹치게 만다. 즉, z-축을 중심으로 코일을 원통 또는 사각형태로 말면 좌표가 0인 지점 부근에서 z-축 방향으로 선형 자기장이 형성된다. To generate a linear magnetic field along the z-axis, the points at which currents enter and exit in the diagram overlap spatially with each other. That is, when the coil is rolled in a cylindrical or rectangular shape around the z-axis, a linear magnetic field is formed in the z-axis direction near the point where the coordinate is zero.
예를 들어, I=1 A, D=42.8 mm, a=3 mm, L=81π/2 일 때, z-축에 대한 자기장의 세기는 도 7과 같다. For example, when I = 1 A, D = 42.8 mm, a = 3 mm, L = 81π / 2, the intensity of the magnetic field with respect to the z-axis is shown in FIG. 7.
도 7은 일 실시예에 따른 시스템의 기능을 설명하기 위한 도면이다.7 is a diagram for describing a function of a system, according to an exemplary embodiment.
도 7을 참조하면 B0=0.1G, -7.5mm<z<7.5mm 구간에서 자기장의 표준편차는 1×10-5 G 정도이다. Referring to FIG. 7, the standard deviation of the magnetic field is about 1 × 10 −5 G in a section of B 0 = 0.1G and −7.5mm <z <7.5mm.
이와 같은 코일을 구현하기 위해선 도 6과 같이 정교하게 가공된 코일 지지대가 필요하다. In order to implement such a coil, a finely processed coil support as shown in FIG. 6 is required.
도 6은 일 실시예에 따른 시스템의 기능을 설명하기 위한 도면이다.6 is a diagram for describing a function of a system, according to an exemplary embodiment.
도 6을 참조하면, 코일 지지대엔 코일을 일정한 간격으로 감기 위한 가이드 홈(610)이 있다. 하지만 코일 지지대를 가공하는 과정에서 발생하는 공차와 코일을 직접 감을 때 발생하는 결점으로 인해, 소형화 적용에는 적합하지 않다.Referring to Figure 6, the coil support has a guide groove 610 for winding the coil at regular intervals. However, due to tolerances in the process of machining the coil support and the drawbacks of winding the coil directly, they are not suitable for miniaturized applications.
본 발명에서은 필름 히터 제작방법을 이용하여 자기장 코일을 만든다. 상기 필름은 폴리이미드 필름의 형태일 수 있다. 코일 형상은 그림 1과 동일하며, 에칭(etching) 방법으로 폴리이미드 필름 내에 자기장 코일을 형상화 한다. 코일의 공차는 μm 수준으로 제어 가능하며, 유연한 폴리이미드 필름을 사용하기 때문에 쉽게 코일 지지대에 감을 수 있다. In the present invention, a magnetic field coil is made using a film heater manufacturing method. The film may be in the form of a polyimide film. The coil shape is the same as in Figure 1, and the magnetic field coils are formed in the polyimide film by etching. The tolerance of the coil is controlled at the μm level, and the flexible polyimide film makes it easy to wind the coil support.
상술한 바와 같이, 폴리이미드 필름은 진공 내에서도 사용할 수 있으므로, 추후 원자스핀 자이로스코프의 물리부를 진공화 하는데 도움이 되며, 폴리이미드 필름을 이용한 자기장 코일을 적용할 경우, 정밀한 수준으로 자기장을 제어할 수 있으며, 소형화 및 대량 생산에 적합하다. As described above, since the polyimide film can be used even in a vacuum, it helps to vacuum the physical part of the atomic spin gyroscope later, and when the magnetic field coil using the polyimide film is applied, the magnetic field can be controlled to a precise level. It is suitable for miniaturization and mass production.
본 발명에 따른 다른 실시예에 따르면, 필름 형태로 구현된 자기장 코일은 필름 형태로 구현된 다층 구조의 히터에 포함될 수 있다. 구체적으로, 다층 구조의 일부는 히터 역할을 하고 다층 구조의 다른 일부는 자기장 코일 역할을 할 수 있다.According to another embodiment according to the present invention, the magnetic field coil implemented in the film form may be included in the heater of the multilayer structure implemented in the film form. Specifically, part of the multilayer structure may serve as a heater and another part of the multilayer structure may serve as a magnetic field coil.
예를 들어, 삼층 구조를 갖는 시스템에서 일층과 삼층을 히터로 하고 이층을 자기장 코일을 포함하도록 할 수 있다. 이 경우, 일층과 삼층의 히터에 흐르는 전류 방향을 반대로 바꿔 자기장 발생을 최소화 할 수 있다. 또한, 이층에 자기장 코일을 두어 다층 구조에 자기장 코일을 포함되도록 함으로써 시스템을 소형화 할 수 있다.For example, in a system having a three-layer structure, one layer and three layers may be heaters, and the second layer may include a magnetic field coil. In this case, it is possible to minimize the magnetic field generation by reversing the direction of the current flowing through the heater of the first and third layers. In addition, the system can be miniaturized by placing a magnetic field coil on the second layer so that the magnetic field coil is included in the multilayer structure.
전술한 본 명세서의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 명세서의 내용이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The foregoing description of the specification is intended to be illustrative, and it is understood that those skilled in the art can easily modify the present invention into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. Could be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.
본 실시예의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present embodiment is indicated by the following claims rather than the above description, and should be construed as including all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents.
Claims (7)
전류가 흐르면 자기장을 발생시키는 자기장 코일; 및
상기 원자 증기 셀에 부착되는 필름 형태의 히터를 포함하며,
상기 필름 형태의 히터가 상기 원자 증기 셀을 가열한 후, 상기 자기장 코일에서 발생한 자기장이 상기 원자 증기 셀에 인가되고,
3층 구조를 가지고,
상기 3층 구조의 1층과 3층에는 상기 필름 형태의 히터가 위치하고, 상기 1층과 상기 3층의 필름 형태의 히터에 흐르는 전류 방향이 반대이고, 상기 3층 구조의 2층에는 상기 자기장 코일이 위치하는 것을 특징으로 하는, 원자 증기 셀을 가열하고 원자 증기 셀에 자기장을 인가하는 시스템.Atomic vapor cell;
Magnetic field coils that generate magnetic fields when current flows; And
A heater in the form of a film attached to the atomic vapor cell,
After the film-type heater heats the atomic vapor cell, a magnetic field generated in the magnetic field coil is applied to the atomic vapor cell,
Has a three-layer structure,
The film heater is located in the first and third layers of the three-layer structure, and the current direction flowing through the first and the three-layer film heaters is opposite, and the magnetic field coil is provided in the two layers of the three-layer structure. Characterized in that it heats the atomic vapor cell and applies a magnetic field to the atomic vapor cell.
상기 필름 형태의 히터는 다층 구조의 필름 형태를 갖는 것을 특징으로 하는, 원자 증기 셀을 가열하고 원자 증기 셀에 자기장을 인가하는 시스템.The method of claim 1,
The film type heater having a multi-layered film form, wherein the atomic vapor cell is heated and a magnetic field is applied to the atomic vapor cell.
상기 필름 형태의 히터의 홀수번째 층과 짝수번째 층의 흐르는 전류 방향이 반대인 것을 특징으로 하는, 원자 증기 셀을 가열하고 원자 증기 셀에 자기장을 인가하는 시스템.The method of claim 2,
Wherein the direction of the flowing current of the odd and even layers of the film-shaped heater is opposite to that of the heating of the atomic vapor cell and applying a magnetic field to the atomic vapor cell.
상기 필름 형태의 히터는 폴리이미드(polymide) 필름 형태인 것을 특징으로 하는, 원자 증기 셀을 가열하고 원자 증기 셀에 자기장을 인가하는 시스템.The method of claim 1,
Wherein the heater in the form of a film is in the form of a polyimide film, wherein the atomic vapor cell is heated and a magnetic field is applied to the atomic vapor cell.
상기 자기장 코일은 헬름홀츠 코일인 것을 특징으로 하는, 원자 증기 셀을 가열하고 원자 증기 셀에 자기장을 인가하는 시스템.The method of claim 1,
Wherein said magnetic field coil is a Helmholtz coil, heating a atomic vapor cell and applying a magnetic field to the atomic vapor cell.
상기 원자 증기 셀은 Rb-Xe-N2를 포함하는 것을 특징으로 하는, 원자 증기 셀을 가열하고 원자 증기 셀에 자기장을 인가하는 시스템.The method of claim 1,
Wherein said atomic vapor cell comprises Rb-Xe-N 2. The system of heating an atomic vapor cell and applying a magnetic field to the atomic vapor cell.
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|---|---|---|---|
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| KR (1) | KR102022003B1 (en) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20230060825A (en) | 2021-10-28 | 2023-05-08 | 한국표준과학연구원 | Vapor cell and vapor cell temperature control system |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20070111957A (en) * | 2006-05-18 | 2007-11-22 | 허니웰 인터내셔널 인코포레이티드 | Chip scale atomic gyroscope |
| US20090039881A1 (en) * | 2007-08-07 | 2009-02-12 | John Kitching | Compact atomic magnetometer and gyroscope based on a diverging laser beam |
| US20110147367A1 (en) * | 2009-12-22 | 2011-06-23 | Teledyne Scientific & Imaging, Llc | System for heating a vapor cell |
| US20140361768A1 (en) * | 2013-04-10 | 2014-12-11 | Microsemi Frequency And Time Corporation | Chip-scale atomic gyroscope |
-
2018
- 2018-04-02 KR KR1020180038212A patent/KR102022003B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20070111957A (en) * | 2006-05-18 | 2007-11-22 | 허니웰 인터내셔널 인코포레이티드 | Chip scale atomic gyroscope |
| US20090039881A1 (en) * | 2007-08-07 | 2009-02-12 | John Kitching | Compact atomic magnetometer and gyroscope based on a diverging laser beam |
| US20110147367A1 (en) * | 2009-12-22 | 2011-06-23 | Teledyne Scientific & Imaging, Llc | System for heating a vapor cell |
| US20140361768A1 (en) * | 2013-04-10 | 2014-12-11 | Microsemi Frequency And Time Corporation | Chip-scale atomic gyroscope |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20230060825A (en) | 2021-10-28 | 2023-05-08 | 한국표준과학연구원 | Vapor cell and vapor cell temperature control system |
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